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10萬噸CO2埋地底,安全嗎?

活躍星系核_96
・2013/06/26 ・5199字 ・閱讀時間約 10 分鐘 ・SR值 493 ・六年級

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Z編說:本篇原為PTT八卦版一篇關於〈台電中油硬幹 10萬噸CO2埋地底 恐誘發地震〉的回文,不過因為不是大家都會逛PTT,於是徵得原PO同意,編輯成較易閱讀的網路版。

文 / 小笨盪(cocoleeeric)國立成功大學 二氧化碳封存暨油層工程研究室 研究生

關於這就干鍵盤二氧化碳地質封存學家小弟我的事了。

台電跟中油那個計劃呢,其實我們都有涉略…學者憂心的誘發地震或氣體外洩…我覺得還好。至於全球暖化是不是騙局…呵呵呵 讓我們繼續看下去XDDD

以下內容可能有點學術。

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首先,二氧化碳的地質封存主要分為兩種,一種叫做地下儲氣窖封存,另一種是鹽水層封存

地下儲氣窖封存

地下儲氣窖封存呢,就是以前啊,中油不是在台灣有挖到一些天然氣或石油嗎?那把天然氣跟石油從地底下挖出來之後…裡面應該空了吧?(會有留一點點氣體)那這些石油跟天然氣在地下已經存了幾百萬年了都沒爆炸,理論上應該不會突然心情不好就炸裂吧?所以,天才的石油工程師就開始思考…二氧化碳這種雞肋…應該可以放在那裡不會跑出來,是吧?所以,於是就開始這種類型的地質封存。

這封存方式跟我們跟國外買天然氣儲存在台灣一樣。苗栗那邊有一個全台灣最大的天然氣儲氣窖,它都存那麼多年了-天然氣噎……比二氧化碳恐怖吧……一點火就掰了-都安全了很久。

我相信這點技術中油是有的,不過現在處於人力斷層的中油,我不敢保證未來會如何啦……

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這種儲存方式最有可能的洩漏點在于鑽井的井孔構造的破碎帶,不過理論上只要有嚴密的監控,是不會有大量泄漏發生,不然人就會休克。

鹽水層封存二氧化碳

至於另一種鹽水層封存二氧化碳呢……這就是中油跟台電這次所做的。我印象中台電做的好像是在彰濱工業區,打算把二氧化碳打到台灣海峽裡面去。這有什麼好處呢?…您知道,二氧化碳加水就是我們俗話說的汽水;二氧化碳加熱水,就變成溫泉…那二氧化碳加海水咧? 

就鹹汽水啊….XDDD

他們在地下找到一個溝造,台灣海峽方向上傾,認為它夠大,所以可以封存。

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應該有人會問:往台灣海峽方向上傾應該會在台灣海峽漏出來吧?

這就跟二氧化碳跟水接觸後的變化有關了。二氧化碳跟鹽水接觸時會有幾種反應:溶解、離子化、跟礦化,而且在孔隙介質中還會有因毛細壓力、表面張力……等等的物理因素產生殘餘氣。以上四種東西都不是可移動的流體,不會飄到空氣中;唯一會飄到空氣中的是可移動的二氧化碳。

如果,這二氧化碳打進去的是一個有封閉構造的鹽水層(例如像一個倒放的碗),理論上二氧化碳也沒地方跑,就只能在那邊呆,然後慢慢的跟鹽水反應變成大理石。

這東西的風險在於你打的量太大時,可能會產生地層岩石破裂,然後二氧化碳就流出去了,然後台灣打的量基本上就是把小石頭丟到海裡一樣,一點感覺也沒有……國外的商轉場大多是打每年一百萬噸,人家都還頭好壯壯,台灣那個一萬噸……三年十萬噸 我說真的XX比雞腿。

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中油的計劃呢,則比台電的更安全一些,畢竟人家是打洞始祖,日本都找中油幫打洞了……而且中油打在有構造封閉的地方,台電那個是打在地下;最差的狀況就是到對岸冒出來。不過依照那種量來看理論上是不可能游到對岸的,因為二氧化碳的溶解速度太快,如果你接觸面積大的話,一下子就變汽水了,剩下可以移動的二氧化碳可能少得可憐。

至於為啥我會知道那麼多….不要問,很可怕,不過如果想更瞭解二氧化碳地質封存的,歡迎討論。

其他Q&A:

Q:看不懂啦

A:看不懂噢…那這樣想好了-你把可樂放一陣子氣體跑光光了體積變多少?然後你重新再把氣體打進去,那個塑膠瓶會爆裂嗎?或許反覆操作瓶子的材質疲乏可能會壞掉。可是現在是原本一公升的可樂,氣體100C.C.跑光後剩下990C.C.的液體(氣體溶到液體裡面體積就不是一加一了),然後今天要把10C.C.的氣體打回去,請問會出事嗎?這樣解釋不知道會不會比較簡單一點點。

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Q:變大理石有點酷!不過汽水的話,魚不會死翹翹嗎?

A:請注意,我們打進去的地方是鹽水層,不是直接打海水(不過也有這種做法就是了)。鹽水層的定義是指:它是地層,不過充滿鹽水。我們都知道地層是孔隙介質,利用土司麵包來比喻好了,鹽水層就是泡了鹽水的土司麵包。至於直接打海水的方式,是打在不受洋流影響的深層海水中,基本上那些地方沒有太多的經濟魚類,甚至沒有魚。另外,忘記說的是,當二氧化碳與鹽水結合時,他的比重會變大,然後就往下沈,所以不會有往上飄的疑慮。

Q:環保團體到底是真的不懂,還是唯恐天下不亂啊?

A:其實台灣的環保團體擔心的,我們都有參考國外的環團思考邏輯去做處理,所以除非是他們無理取鬧,不然我認為這件事來說,我們站得住腳(P.S.  小屁孩不是中油或台電員工,只是曾經做過這件研究案,委托人剛好是….)。然後依據本研究室怕死又想獲得國際研究認同的最高指導原則,我們做事情是小心到一篇文章可以改五十次到一百次才敢發出去,一個結果是要確認、確認、再確認,才敢說這不是實驗誤差,所以到現在還是窮窮的….因為只會講真話。

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Q:能不能分析一下海水離子化跟礦化會有啥影響?

A:這不是海水離子化跟礦化的問題,而且水不會礦化;是二氧化碳跟水中的鈣離子、鉀離子會產生礦化。如果是直接打到海水中的話,我是很好奇珊瑚會不會長比較大。我們是打到海水下的鹽水層,至於影響,有可能會改變海水酸鹼值,不過…台灣打的量就跟我說的-就算是打到海裡…應該跟丟一顆小石頭到海裡一樣意思….

Q:大家都很笨 直接把二氧化碳賣給可口可樂公司不就好了?

A:其實賣可樂公司不賺噎…我會賣腳踏車公司,你沒看到腳踏車的隨身充氣瓶都是二氧化碳,一小瓶都賣幾百塊….

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其實這中間賺最大的是石油公司。為啥咧?因為小弟也是鍵盤石油工程師。這件事情發生後,石油公司的角色除了賣你石油之外,你排放的二氧化碳還要花錢請他回收噢。

WHY?試想,這世界上誰最會在地上打洞?誰最會監控在地下跑的氣體?誰最有能裡把這東西從地上打到底下去?

石油公司…so…你知道的,扒你好幾層皮…

Q:所以,全球暖化到底是不是騙局?

A:關於這個問題,依照我訪問過的國際二氧化碳封存大師的說法是「你相信它就不是騙局;你不相信,他就是騙局」以上,我覺得他很中肯。

Q:天然氣壓力過大外洩可以燒掉,CO2怎處理是一門學問。

A:這就是為什麼台灣不直接打到地下儲氣窖,而是打到鹽水層的原因。因為打到鹽水層之後,只要他溶到水裡就只有往下沈的份,沒有往上飄的份。然後CO2如果少量泄漏,不處理也沒差……你家汽車還不是天天在放……

Q:然後要變成汽水需要加壓,排放到鹽層中會加壓嗎?

A:你這問題問到精髓…報紙上說的打二氧化碳,實際上是打壓縮過的二氧化碳。因為你直接打氣態的二氧化碳他的體積太大,效率不好。為了兼顧體積與流動能力,我們是依照國外研究的結果,打超臨界二氧化碳;這種二氧化碳的壓力大概等於地層800~1500公尺左右的深度的壓力。更深也可以,不過不具經濟效益,所以好像沒聽說有人做。

打超臨界的好處是,他的體積小密度高,而且流動能力跟氣體一樣好,所以打進去之後不會阻塞住。

其實中油跟台電會這樣試驗性的打二氧化碳,主要是先測試看看打這一點進去後地層會有什麼反應;畢竟你在地表沒辦法模擬地層中的真實樣貌。不過電腦模擬的部分,小的我就做過幾十個,確認風險千年內極小,而且我是假設每年打一百萬噸……連續打二十年。再者,我們有根據國外運作良好的二氧化碳封存場的經驗作參考,理論上不會出太大的問題。

Q:能不能負荷高強度的CO2氣體持續操作?

A:喔喔…你又問到重點了。管線打CO2最擔心的是酸蝕,天然氣在開採過程中也有這種問題,而且更嚴重,因為裡面可能還有硫化物等等。

至於這種問題,我對中油是很放心啦。中油的探採研究所針對這種問題有很詳盡得研究,然後品質嘛…我們研究室出去的學長,每個都很龜毛。所以,不會有問題啦。

台電是外包的門外漢,這我比較擔心…

Q:會不會為了封這10萬噸,結果排出更多CO2?

A:我跟你保證,一定會…如果只為了封這十萬….。可是如果這個成功,廠址可以繼續用,那接下來就剩下二氧化碳送到這個場址的排碳量而已。不過無可厚非,因為台灣的地質畢竟跟國外不同,要先小部份的施作,一來增加經驗,二來可以更瞭解台灣的地質條件,為未來大量封存做小型的試驗。這跟教育部的十二年國教,動不動就全台灣的學生遭殃,是相對保險安全的事情。

所以,才十萬噸理論上就該讓他試試看。不過經費要綁緊一點就是了,畢竟台電還想漲電價…

Q:會引發地震嗎?

A:有誘發地震的疑慮,這個我持保留態度。如果是中油做的比較不可能,因為他打的地方本來就充滿氣體的,所以不太會。至於地震……米國現在的水力壓裂生產頁岩氣跟頁岩油,我覺得還比較嚴重,因為那要讓地層裂….

Q:剛剛東森也在講這個欸,講到西非一個湖噴發CO2死1700人?

A:這東西很久以前中油想做二氧化碳封存時,就是被這報導給害死不敢做。你知道那是瞬間充滿二氧化碳,就跟你在一個瞬間充滿氮氣的空間一樣,你都是缺氧掛點。而如果二氧化碳泄漏,基本上會類似水火同源那邊,緩緩的、慢慢地跑出來。水火同源大家都當世界奇觀在看了,哪天它大量冒出來爆炸….我相信比二氧化碳殺傷力更強。

Q:台灣海峽不是都大陸棚地型,要打深海不是要打在東部海底?

A:如果是要深海封存,或許東部是不錯的選擇。我說的台灣海峽,是指海水下面的地層底下….

Q:若打在海裡的話,水中溶氧的氧分壓會不會改變影響海洋生態?

A:科學家是認為,打在深海不會與表面海水對流的地方,不會影響生態。不過,我不是生物學家,他們說的理論上對,可是你的顧慮不無道理。

Q:礦化之類的其實要幾百年後才知道,可信度嘛…

A:樓上說得很正確。模擬只可以提供我們參考,不能儘信。不過從構造、殘餘氣、溶解、跟離子反應其實很及時就可以看到。然後礦化,其實條件足夠的狀況下發生速率也不差,不過要有能見度(大量的礦化)需要比較長時間。

你可以試試看把二氧化碳放到溶有鈣離子,水裡看看是不是會很快地出現白色粉末。很多反應都是即時的,我們認為要百年是因為量不夠大,觀察不到忽略掉而已。

Q:請問一下, 二氧化碳溶於水中不會造成土壤酸化嗎@_@?

A:你這問題十分有趣,我這樣回答你好了:二氧化碳加水只會變成碳酸,就是不加糖不加調味色素的……XX可樂,這東西如果像下雨一樣落在你家的田地裡,的確有造成土壤酸化的可能性,不過如果是打在八百公尺深的地層,基本上不可能跑到地表來酸化你的土壤。

至於有沒有可能侵蝕地層的孔隙,我給你的答案是肯定的。如果地層中剛好有部分礦物可以溶解在碳酸中,那的確會侵蝕孔隙。

不過有趣的是,碳酸根加上鈣離子會形成碳酸鈣,就是雕刻你家大門那座大衛像的素材。這一增一減其實抵銷的機會很大……。

在我們研究模型裡,也有考慮這個因素所造成的孔隙變化。在數值模擬裡面,一千年後所看到的孔隙變化我印象中很小。

或許你會認為,那打進去的那些地層裡的水不能用嗎? 的確不能用,因為鹽度高,不是淡水;淡水還可以當地下水抽出來,不過地下水井我沒聽過有人打八百公尺的,因為要打這深度…你還是繳水費比較便宜…..

相關資料補充:

  1. 二氧化碳封存暨油層工程研究室
  2. 台灣二氧化碳地質封存潛能及安全性
  3. 呂明達、宣大衡、黃雲津、范振暉。台灣陸上二氧化碳地質封存潛能推估。九十七年九月
  4. 經濟部中央地質調查所,2009,我國二氧化碳地質封存技術研究發展規畫。
  5. 經濟部能源局,2007,二氧化碳再利用技術及地質封存潛能評估計畫。
  6. Bachu, S., Bonijoly, D., Bradshaw, J., Burruss, R., Holloway, S., Christensen, N.P., Mathiassen, O.M., 2007. CO2 storage capacity estimation:Methodology and gaps, Int. J. Greenhouse Gas Control 1, 430-443
  7. Bachu, S. and Adams, J.J., 2003. Sequestration of CO2 in geological media in response to climate change: capacity of deep saline aquifers to sequester CO2 in solution. Energy Convers. Manag. 44, 3151–3175.
  8. Doughty, C., Pruess, K., Benson, S., Hovorka, S., Knox, P., Green, C., 2001. Capacity investigation of brine-bearing sands of the Frio-Formation for geological sequestration of CO2. In: Proceedings of First National Conference on Carbon Sequestration, U.S. Department of Energy, National Energy Technology Laboratory.
  9. Ennis-King, J.P., Gibson-Poole, C.M., Lang, S.C., Paterson, L., 2003. Long term numerical simulation of geological storage of CO2 in the Petrel sub-basin, North West Australia. Proceedings of the Sixth International Conference on Greenhouse Gas Control Technologies, vol. I. Pergamon, 507–511
  10. IEA, 2008. CO2 Capture and Storage – A Key carbon abatement option.
  11. IEA, 2009. CO2 Emissions from Fuel Combustion Highlights.
  12. IPCC, 2005. Special Report on Carbon Dioxide Capture and Storage, Cambridge University Press, New York, N.Y.
  13. Juanes, R., Spiteri, E.J., Orr Jr., F.M., Blunt, M.J., 2006. Impact of relative permeability hysteresis on geological CO2 storage, Water Resources Research, vol.42
  14. Kumar, A., Noh, M.H., Sepehrnoori, K., Pope, G.A., Bryant, S.L., Lake, L.W., 2005. Simulating CO2 storage in deep saline aquifers. Carbon Dioxide Capture for Storage in Deep Geologic Formations—Results from the CO2 Capture Project, vol. 2: Geologic Storage of Carbon Dioxide with Monitoring and Verification. Elsevier, London, UK, 898–977.
  15. Perkins, E., Czernichowski-Lauriol, I., Azaroual, M., Durst, P., 2004. Long term predictions of CO2 storage by mineral and solubility trapping in the Weyburn Midale Reservoir. Proceedings of the Seventh International Conference on Greenhouse Gas Control Technologies, vol. II. Elsevier, 2093–2101.
  16. Nghiem, L., Shrivastava, V., Kohse, B., Hassam, M., Yang, C., 2009. Simulation of Trapping Processes for CO2 Storage in Saline Aquifers. Accepted for the Proceedings of the Canadian International Petroleum Conference (CIPC) 2009, Calgary, Alberta, Canada, 16‐18.
  17. Tianfu Xu, John A. Apps, Karsten Pruess, Numerical simulation of CO2 disposal by mineral trapping in deep aquifers, Applied Geochemistry, Volume 19, Issue 6, June 2004, Pages 917-936
  18. CMG, User’s Guide GEM, Computer Modelling Group Ltd., Calgary, Canada, 2009.
  19. Pruess, K. , Xu T . , Apps, J. and Garcia, J. “Numerical Modeling of Aquifer CO2 Disposal,”s SPEJ, Vol. 8, No. 1(March 2003)48-60
    Bethke, C.M. Geochemical Reaction Modelling, Oxford University Press, New York.
  20. Ziqiu Xue, Saeko Mito, Keigo Kitamura, and Toshifumi Matsuoka. “Case study : trapping mechanisms at the pilot-scale CO2 injection site, Nagaoka, Japan”. Energy Procedia, Volume 1, issue 1, February 2009, Pages 2057-2062
  21. Saeko Mito, Ziqiu Xue, and Takashi Ohsumi. “Case study of geochemical reactions at the Nagaoka CO2 injection site, Japan”. International Journal of Greenhouse Gas Control, Volume 2, Issue 3, July 2008, Pages 309-318
  22. Steefel, C.I. and Lasaga, A.C. “A Coupled Model for Transport of Multiple Chemical Species and Kinetic Precipitation/Dissolution Reactions with Application to Reactive Flow in Single-Phase Hydrothermal Systems ” American J. Science, Vol. 294(1994) , Pages 529-592
  23. Wei Zhang, Yilian Li, Tianfu Xu, Huilin Cheng, Yan Zheng, Peng Xiong. “Long-term variations of CO2 trapped in different mechanisms in deep saline formations: A case study of the Songliao Basin, China"International Journal of Greenhouse Gas Control, Volume 3, Issue 2, March 2009, Pages 161-180
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活躍星系核_96
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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人體吸收新突破:SEDDS 的魔力
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/05/03 ・1194字 ・閱讀時間約 2 分鐘

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本文由 紐崔萊 委託,泛科學企劃執行。 

營養品的吸收率如何?

藥物和營養補充品,似乎每天都在我們的生活中扮演著越來越重要的角色。但你有沒有想過,這些關鍵分子,可能無法全部被人體吸收?那該怎麼辦呢?答案或許就在於吸收率!讓我們一起來揭開這個謎團吧!

你吃下去的營養品,可以有效地被吸收嗎?圖/envato

當我們吞下一顆膠囊時,這個小小的丸子就開始了一場奇妙的旅程。從口進入消化道,與胃液混合,然後被推送到小腸,最後透過腸道被吸收進入血液。這個過程看似簡單,但其實充滿了挑戰。

首先,我們要面對的挑戰是藥物的溶解度。有些成分很難在水中溶解,這意味著它們在進入人體後可能無法被有效吸收。特別是對於脂溶性成分,它們需要透過油脂的介入才能被吸收,而這個過程相對複雜,吸收率也較低。

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你有聽過「藥物遞送系統」嗎?

為了解決這個問題,科學家們開發了許多藥物遞送系統,其中最引人注目的就是自乳化藥物遞送系統(Self-Emulsifying Drug Delivery Systems,簡稱 SEDDS),也被稱作吸收提升科技。這項科技的核心概念是利用遞送系統中的油脂、界面活性劑和輔助界面活性劑,讓藥物與營養補充品一進到腸道,就形成微細的乳糜微粒,從而提高藥物的吸收率。

自乳化藥物遞送系統,也被稱作吸收提升科技。 圖/envato

還有一點,這些經過 SEDDS 科技處理過的脂溶性藥物,在腸道中形成乳糜微粒之後,會經由腸道的淋巴系統吸收,因此可以繞過肝臟的首渡效應,減少損耗,同時保留了更多的藥物活性。這使得原本難以吸收的藥物,如用於愛滋病或新冠病毒療程的抗反轉錄病毒藥利托那韋(Ritonavir),以及緩解心絞痛的硝苯地平(Nifedipine),能夠更有效地發揮作用。

除了在藥物治療中的應用,SEDDS 科技還廣泛運用於營養補充品領域。許多脂溶性營養素,如維生素 A、D、E、K 和魚油中的 EPA、DHA,都可以通過 SEDDS 科技提高其吸收效率,從而更好地滿足人體的營養需求。

隨著科技的進步,藥品能打破過往的限制,發揮更大的療效,也就相當於有更高的 CP 值。SEDDS 科技的出現,便是增加藥物和營養補充品吸收率的解決方案之一。未來,隨著科學科技的不斷進步,相信會有更多藥物遞送系統 DDS(Drug Delivery System)問世,為人類健康帶來更多的好處。

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溫室效應有救了?把二氧化碳埋進地底吧!  
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/03/25 ・1389字 ・閱讀時間約 2 分鐘

本文由 台灣中油股份有限公司 委託,泛科學企劃執行。 

近年全球對於氣候變遷的關注日益增加,各國紛紛宣布淨零排放(Net Zero Emissions)的目標,聯手應對氣候變遷所帶來的挑戰。淨零排放是指將全球人為排放的溫室氣體量和人為移除的量相抵銷後為零。而「碳捕存再利用技術(Carbon Capture Utilization and Storage,簡稱 CCUS)」技術被視為達成淨零重要的措施之一。 

CCUS 示意圖。圖/INPEX CCS and CCUS Business Introduction Video 2022 

「碳捕存再利用技術 CCUS」是什麼? 

CCUS 技術可以有效地將二氧化碳從大氣中捕捉並封存,進而減少溫室氣體的排放。CCUS 包含捕捉、運輸、封存或再利用三個階段,也就是將二氧化碳抓下來,並且存起來或是轉換成其他有價值的化學原料。關於如何捕捉二氧化碳,可以參考我們先前拍的影片《減碳速度太慢?現在已經能主動把二氧化碳抓下來!?抓下來的二氧化碳又去了哪裡?》。 

至於捉下二氧化碳之後,該存放在哪裡呢?科學家們看上一個經過數千萬年驗證、最適合儲存的地方——地底。沒錯,地底可不只有石頭跟蜥蜴人,只要這些石頭中存在孔隙,就可以儲存氣體或液體。最常見的就是天然氣與石油。現在,我們只要將二氧化碳儲存到這些孔隙就好。 

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封存的地質條件也很簡單,第一,要有一層擁有良好空隙率及滲透性的「儲集層」,通常是砂岩。第二,有一層緻密、不透水且幾乎無孔隙的岩石,用來阻擋儲集層的氣體向上逸散的「蓋層」,常見的是頁岩。只要儲集層在下,蓋層在上,就是一個理想的儲存環境。 

臺灣哪裡適合地質封存? 

臺灣由東往西,從西部麓山帶、西部平原、濱海到臺灣海峽,都有深度達 10 公里的廣大沉積層,並且砂岩與頁岩交替出現,可說是良好的儲氣構造。 

至於臺灣適合封存二氧化碳的地點,有個很直接的作法,就是參考石油、天然氣的儲存場域就好,也就是所謂的「枯竭油氣層」。將開採過的天然氣或石油的空間,重新拿來儲存二氧化碳。而臺灣的油氣田,主要集中在西部的苗栗與臺南一帶,在 1959~2016 年,累計產了 500 億立方公尺的天然氣,和超過 500 萬公秉的凝結油。 

臺灣油氣田位置圖。圖/《科學發展》2017 年 6 月第 534 期
鐵砧山每年封存 10 萬噸二氧化碳(相當於通霄鎮 1/3 人口一年的二氧化碳排放量)。圖/台灣中油

而至今這些枯竭油氣田,適合來做二氧化碳的封存。例如苗栗縣通霄鎮的鐵砧山是臺灣目前陸上發現最大的油氣田,不只是封閉型背斜構造,更擁有厚實緻密的緻密蓋岩層。在原有油氣田枯竭後,從民國 77 年開始轉為天然氣儲氣窖利用原始天然氣儲層調節北部用氣的方式,已持續超過 35 年。因此中油也正規劃在鐵砧山氣田選擇合適的蓋層和鹽水層,進行小規模的二氧化碳注入,作為全國首座碳封存的示範場址。並同時進行多面向的長期監測,驗證二氧化碳封存的可行性與安全性。 

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更多詳細內容及國際 CCUS 案例,歡迎觀看影片解惑! 

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改良天然氣發電技術不會產生二氧化碳?灰氫、藍氫、綠氫分別是什麼?
PanSci_96
・2024/02/11 ・5659字 ・閱讀時間約 11 分鐘

用天然氣發電可以完全沒有二氧化碳排放?這怎麼可能?

2023 年 11 月,台電和中研院共同發表去碳燃氫技術,說是經過處理的天然氣,燃燒後可以不產生二氧化碳。

誒,減碳方式百百種,就是這個聽起來最怪。但仔細研究後,好像還真有這麼一回事。這種能發電,又不產二氧化碳的巫術到底是什麼?大量使用天然氣後,又有哪些隱憂是我們可能沒注意到的?

去碳燃氫是什麼?

去碳燃氫,指的是改良現有的天然氣發電方式,將甲烷天然氣的碳去除,只留下乾淨的氫氣作為燃燒燃料。在介紹去碳燃氫之前,我們想先針對我們的主角天然氣問一個問題。

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最近不論台灣、美國或是許多國家,都提升了天然氣發電的比例,但天然氣發電真的有比較好嗎?

好像還真的有。

根據聯合國底下的政府間氣候變化專門委員會 IPCC 的計算報告,若使用火力發電主要使用的煙煤與亞煙煤作為燃料,並以燃燒率百分之百來計算,燃料每釋放一兆焦耳的能量,就會分別產生 94600 公斤和 96100 公斤的二氧化碳排放。

如果將燃料換成天然氣,則大約會產生 56100 公斤的二氧化碳,大約只有燃燒煤炭的六成。這是因為天然氣在化學反應中,不只有碳元素會提供能量,氫元素也會氧化成水並放出能量。

圖/pexels

除了碳排較低以外,煤炭這類固體燃料往往含有更多雜質,燃燒時又容易產生更多的懸浮顆粒例如 PM 2.5 ,或是溫室效應的另一主力氧化亞氮(N2O)。具體來說,產生同等能量下,燃燒煤炭產生的氧化亞氮是天然氣的 150 倍。

當然,也別高興這麼早,天然氣本身也是個比二氧化碳更可怕的溫室氣體,一但洩漏問題也不小。關於這點,我們放到本集最後面再來討論。

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燃燒天然氣還是會產生二氧化碳?

雖然比較少,但也有燃煤的六成。像是綠能一樣的零碳排發電方式,不才是我們的終極目標嗎?別擔心,為了讓產生的二氧化碳量減到最小,我們可以來改造一下甲烷。

圖/unsplash

在攝氏 700 至 1100 度的高溫下,甲烷就會和水蒸氣反應,變成一氧化碳和氫氣,稱為蒸汽甲烷重組技術。目前全球的氫氣有 9 成以上,都是用此方式製造的,也就是所謂的「灰氫」。

而產物中的一氧化碳,還可以在銅或鐵的催化下,與水蒸氣進一步進行水煤氣反應,變成二氧化碳與氫氣。最後的產物很純,只有氫氣與二氧化碳,因此此時單獨將二氧化碳分離、封存的效率也會提升不少,也就是我們在介紹碳捕捉時介紹的「燃燒前捕捉」技術。

去碳燃氫又是什麼?

圖/pexels

即便我們能將甲烷蒸氣重組,但只要原料中含有碳,那最終還是會產生二氧化碳。那麼,我們把碳去掉不就好了?去碳燃氫,就是要在第一步把甲烷分解為碳和氫氣。這樣氫氣在發電時只會產生水蒸氣,而留下來的碳黑,也就是固態的碳,可以做為其他工業原料使用,提升附加價值。

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在氫氣產業鏈中,我們習慣將氫氣的來源做顏色分類。例如前面提到蒸氣重組後得到的氫氣被稱為灰氫,而搭配碳捕捉技術的氫,則稱為藍氫。完全使用綠能得到的氫,例如搭配太陽能或風力發電,將水電解後得到最潔淨的氫,則稱為綠氫。而介於這兩者之間,利用去碳燃氫技術分解不是水而是甲烷所得到的氫,則稱為藍綠氫。

但先不管它叫什麼氫,重點是如果真的不會產生二氧化碳,那我們就確實多了一種潔淨能源可以選擇。這個將甲烷一分為二的技術,聽起來應該也不會太難吧?畢竟連五◯悟都可以一分為二了,甲烷應該也行吧。

甲烷如何去碳?

甲烷要怎麼變成乾淨的氫氣呢?

很簡單,加溫就好了。

圖/giphy

只要加溫到高過攝氏 700 度,甲烷就會開始「熱裂解」,鍵結開始被打斷,變成碳與氫氣。

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等等等等…為了發電還要耗費能源搞高溫熱裂解,划算嗎?

甲烷裂解確實是一個吸熱反應,也就是需要耗費能量來拆散原本的鍵結。根據反應式,一莫耳甲烷要吸收 74 千焦耳的熱量,才會裂解為一莫耳的碳和兩莫耳的氫氣。但是兩莫耳的氫氣燃燒後,會產生 482 千焦耳的熱量。淨能量產出是 408 焦耳。與此相對,直接燃燒甲烷產生的熱量是 891 千焦耳。

而根據現實環境與設備的情況,中研院與台電推估一公噸的天然氣直接燃燒發電,與先去碳再燃氫的方式相比,發電量分別為 7700 度和 4272 度。雖然因為不燃燒碳,發電量下降了,但也省下了燃燒後捕存的成本。

要怎麼幫甲烷去碳呢?

在近二十幾年內,科學家嘗試使用各種材料作為催化劑,來提升反應效率。最常見的方式,是將特定比例的合金,例如鎳鉍合金,加熱為熔融態。並讓甲烷通過液態的合金,與這些高溫的催化劑產生反應。實驗證實,鎳鉍合金可以在攝氏 1065 度的高溫下,轉化 95% 的甲烷。

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中研院在 2021 年 3 月,啟動了「 Alpha 去碳計畫」,進行去碳燃氫的設備開發。但團隊發現,盡管在理論上行得通,但實際上裝置就像是個不受控的火山一樣,熔融金屬與蒸氣挾帶著碳粒形成黏稠流體,不斷從表面冒出,需要不斷暫停實驗來將岩漿撈出去。因此,即便理論上可行,但熔融合金的催化方式,還無法提供給發電機組使用。

去碳燃氫還能有突破嗎?

有趣的是,找了好一大圈,驀然回首,那人卻在燈火闌珊處。

最後大家把目光放到了就在你旁邊,你卻不知道它正在等你的那個催化劑,碳。其實過去就有研究表明碳是一種可行的催化劑。但直到 201 3年,才有韓國團隊,嘗試把碳真的拿來做為去碳燃氫的反應催化劑。

圖/pexels

他們在高溫管柱中,裝填了直徑 30 nm 的碳粒。結果發現,在 1,443 K 的高溫下,能達到幾乎 100 % 的甲烷轉化。而且碳本身就是反應的產物之一,因此整個裝置除了碳鋼容器以外,只有碳與氫參與反應,不僅成本低廉,要回收碳黑也變得容易許多。

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目前這個裝置需要加緊改良的,就是當碳不斷的積蓄,碳粒顆粒變大,反應會跟著下降。如何有效清除或更換濾網與反應材料,會是能否將此設備放大至工業化規模的關鍵。

最後,我們回頭來談談,在去碳燃氫技術逐漸成熟之後,我們可能需要面對的根本問題。

天然氣是救世主,還是雙面刃?

去碳燃氫後的第一階段,還是會以天然氣為主,只混和 10 % 以下的氫氣作為發電燃料。

這是因為甲烷的燃燒速度是每秒 0.38 公尺,氫氣則為每秒 2.9 公尺,有著更劇烈的燃燒反應。因此,目前仍未有高比例氫氣的發電機組,氫氣的最高比例,通常就是 30 % 。

目前除了已成功串連,使用 10 % 氫氣的小型發電機組以外。台電預計明年完成在興達電廠,使用 5 % 氫氣的示範計畫,並逐步提升混和氫氣的比例。根據估計,光是 5 % 的氫氣,就能減少每年 7000 噸的二氧化碳排放。

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但隨著天然氣的使用量逐步提高,我們也應該同時留意另一個問題。

天然氣洩漏導致的溫室效應,是不可忽視的!

根據 IPCC 2021 年的報告,若以 20 年為評估,甲烷產生的溫室效應效果是二氧化碳的 82.5 倍,以 100 年為評估,效果為 29.8 倍,是僅次於二氧化碳,對於溫室效應的貢獻者第二名。這,不可不慎啊。

圖/unsplash

從石油、天然氣井的大量甲烷洩漏,加上運輸時的洩漏,如果沒有嚴格控管,我們所做的努力,很有可能就白費了。

非營利組織「環境保衛基金」曾在 2018 年發表一篇研究,發現從 2012 到 2018 年,全球的甲烷排放量增加了 60 % ,從煤炭轉天然氣帶來的好處,可能因為甲烷洩漏而下修。當然,我們必須相信,當這處漏洞被補上,它還是能作為一個可期待的發電方式。

圖/giphy

另一篇發表在《 Nature Climate Change 》的分析研究就說明,以長期來看,由煤炭轉為天然氣,確實能有效減緩溫室氣體排放。但研究也特別提醒,天然氣應作為綠能發展健全前的過渡能源,千萬別因此放慢對於其他潔淨能源的研究腳步。

去碳燃氫技術看起來如此複雜,為什麼不直接發展綠氫就好了?

確實,綠氫很香。但是,綠氫的來源是電解水,而反應裝置也不可能直接使用雜質混雜的海水,因此若要大規模發展氫能,通常需要搭配水庫或海水淡化等供水設施。另外,綠氫本來就是屬於一種儲能的形式,在台灣自己的綠能還沒有多到有剩之前,當然直接送入電網,還輪不到拿來產綠氫。

圖/unsplash

相比於綠氫,去碳燃氫針對的是降低傳統火力發電的碳排,並且只需要在現有的發電廠旁架設熱裂解設備,就可以完成改造。可以想像成是在綠能、新世代核能發展成熟前的應急策略。

當然,除了今天提到的灰氫、藍氫、綠氫。我們還有用核能產生的粉紅氫、從地底開採出來的白氫等等,都還沒介紹呢!

除了可以回去複習我們這一集的氫能大盤點之外,也可以觀看這個介紹白氫的影片,一個連比爾蓋茲都在今年宣布加碼投資的新能源。它,會是下一個能源救世主嗎?

最後,也想問問大家,你認為未來 10 年內,哪種氫能會是最有潛力的發展方向呢?

  1. 當然是綠:要押當然還是壓最乾淨的綠氫啦,自產之前先進口也行啊。
  2. 肯定投藍:搭配碳捕捉的藍氫應該會是最快成熟的氫能吧。
  3. 絕對選白:連比爾蓋茲也投資的白氫感覺很不一樣。快介紹啊!

什麼?你覺得這幾個選項的顏色好像很熟悉?別太敏感了,下好離手啊!

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參考資料

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